في تعاون بحثي بين الجامعة العبرية وجامعة كاليفورنيا في بيركلي، تم لأول مرة الحصول على رؤى جديدة حول طريقة نشاط المحفزات الكيميائية المستخدمة في إنتاج الوقود والمواد البلاستيكية والأسمدة. الخبر السار للمستهلكين: في المستقبل سيكون من الممكن إنتاج محفزات أكثر كفاءة وبيئية من شأنها أن تساعد في تقليل تلوث الهواء وخفض تكاليف الإنتاج.
إن معظم المواد الصناعية التي تحيط بنا والتي تعتبر ضرورية لعملنا اليومي في القرن الحادي والعشرين، مثل الوقود أو المنتجات البلاستيكية أو الأسمدة، لا تأتي في حد ذاتها مباشرة من الطبيعة، ولكنها تخضع لعمليات كيميائية تغيرها لتناسب احتياجات الإنسان.
ومن أجل تنفيذ هذه التغيرات الكيميائية بشكل فعال وتحويل المادة من شكلها الخام في الطبيعة بنجاح إلى وقود للسيارة أو أسمدة للحديقة، يتم استخدام المحفزات. تتكون المحفزات في الغالب من جزيئات معدنية صغيرة، على سبيل المثال البلاتين أو الحديد أو البلاديوم أو الفضة، بحجم نانومتر (مليار من المتر)، مما يسمح بأقصى استفادة من خواصها الكيميائية.
ومن الأمثلة على استخدام هذه المحفزات، على سبيل المثال، في عملية إنتاج الأسمدة للزراعة. يتم حاليًا إنتاج معظم الأسمدة بعملية اصطناعية تستخدم جزيئات الحديد كمحفزات. تتسبب جزيئات الحديد في تكسير جزيئات الهيدروجين وجزيئات النيتروجين، التي لا تتفاعل مع بعضها البعض عادة، وإنتاج مادة جديدة - الأمونيا، وهي المادة الخام الرئيسية في صناعة الأسمدة.
مثال آخر هو "المحول الحفاز" الموجود في معظم السيارات في السوق. باستخدام جزيئات معدنية بحجم نانومتر تحتوي على البلاديوم والبلاتين، فإن الغازات السامة المنبعثة من عادم السيارة أثناء عملية احتراق الوقود تغير تركيبها وتصبح غازات غير سامة أو أقل سمية، مما يساعد على تقليل عملية تلوث الهواء والبيئة .
على الرغم من استخدام المحفزات في صناعة مواد مختلفة في الصناعة الكيميائية لأكثر من قرن من الزمان، إلا أنه لا تزال هناك تفاصيل كثيرة تتعلق بالعملية وكيفية عملها غير معروفة للمجتمع العلمي. وتنبع أسباب هذه الفجوات المعرفية من صغر حجم الجسيمات، مما يجعل من المستحيل فحص ورسم خريطة للتفاعل الكيميائي على سطح الجسيم الواحد. ونتيجة لذلك، فإن القدرة على تصميم وبناء محفزات أكثر كفاءة لتلبية احتياجات الطاقة الحالية محدودة.
في دراسة هي الأولى من نوعها أجريت بقيادة الدكتور إيلاد جروس من معهد الكيمياء ومركز تكنولوجيا النانو في الجامعة العبرية والبروفيسور دين توست من معهد الكيمياء في جامعة كاليفورنيا في بيركلي، تم اكتساب رؤى جديدة فيما يتعلق بطبيعة نشاط المحفزات الكيميائية. لأول مرة في العالم، تم ملاحظة نشاط كيميائي على سطح جزيئات البلاتين الفردية. تشبه هذه الجسيمات الجسيمات التي تشكل المحفزات في الصناعة الكيميائية.
استخدم الباحثون في الدراسة ضوء الأشعة تحت الحمراء ذي السطوع العالي جدًا (أكثر سطوعًا بمليون مرة من الشمس). قام الباحثون بتركيز شعاع الضوء الساطع نحو إبرة رفيعة يبلغ قطر طرفها 20 نانومتر. تم استخدام هذه الإبرة كنوع من "الهوائي" الذي يركز الضوء في المنطقة القريبة من سطح الجسيم وبالتالي جعل من الممكن تحديد الجزيئات الموجودة على سطح الجسيم النانومتري. من خلال مسح الجسيم بالإبرة، أثناء التشعيع بالأشعة تحت الحمراء، من الممكن تشخيص مكان وتحت أي ظروف تحدث العملية الكيميائية على سطح الجسيم.
ولاحظ الباحثون أن النشاط الكيميائي للمحفزات يتركز عند حواف الجسيم، ولكن لوحظ نشاط كيميائي أقل في مركز الجسيم. ويكمن سبب الاختلافات في اختلاف طبيعة ذرات البلاتين الموجودة في مركز الجسيم، وهو مسطح ومرتب، مقارنة بحواف الجسيم الأقل ترتيبًا وغير المستوية. إن ذرات المعدن الموجودة على سطح الجزء المسطح من الجسيم تكون محاطة بذرات مماثلة لها، وبالتالي ستكون قدرتها على التفاعل مع الجزيئات الخارجية محدودة. من ناحية أخرى، فإن الذرات الموجودة عند حواف الجسيم، في المناطق التي يوجد فيها نقص في التماثل على المستوى الذري وليست محاطة بالكامل بذرات معدنية، ستكون قادرة على خلق تفاعل أقوى مع الجزيئات الخارجية و يؤدي إلى حدوث تفاعل كيميائي يحول الجزيء إلى المنتج المطلوب.
وأكدت استنتاجات الباحثين ادعاء معروفا في عالم المحفزات الكيميائية بأن المناطق التي ليست مثالية، والتي توجد بها كثافة عالية من "العيوب" الذرية، هي الأكثر نشاطا كيميائيا.
وقال الدكتور إيلاد جروس أحد القائمين على البحث: "أثبتت نتائج البحث ولأول مرة أنه من الممكن توقع زيادة النشاط الكيميائي في المناطق ذات الكثافة العالية من العيوب على سطح الجزيئات الفردية . وستمكن استنتاجات البحث من التخطيط المستقبلي الأفضل للمحفزات الكيميائية، وإنتاج محفزات أكثر كفاءة قادرة على تحويل المواد الموجودة في الطبيعة إلى منتجات ذات قيمة مضافة عالية.
وتتمثل الآثار المترتبة على البحث في أنه سيكون من الممكن الآن فهم كيفية تصرف الجسيمات النانوية في المعادن المختلفة، والتي تستخدم كمحفزات في عملية تصنيع المنتجات الصناعية. ومن المتوقع أن تساهم هذه المعرفة بشكل كبير في إنشاء محفزات متقدمة وأكثر كفاءة وبيئية وأقل تكلفة في الصناعات التحويلية المختلفة.
